DISEÑO DE NANOCOMPUESTOS MULTICAPA NANOPARTICULASMESOPOROS PARA DESARROLLO DE SENSORES
R. Martínez Gazonia, M. G. Bellinoab, M. C. Fuertesac, G. Giménezd, G. J. A. A. Soler-Illiaef y M. L. Martínez Riccig
aGerencia Quıímica, Centro Atómico Constituyentes, CNEA bDepartamento de Micro y Nanotecnología, Centro Atómico Constituyentes, CNEA
cInstituto Sábato, UNSAM-CNEA dINTI – Centro de Investigación en Micro y Nanoelectrónica del Bicentenario eDQIAQF, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires
fInstituto de Nanosistemas, Universidad Nacional de General San Martín gINQUIMAE, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires
ggimenez@inti.gob.ar
Introducción
En este trabajo presentamos el diseño y producción de nanocompuestos altamente sintonizables, para amplificar regiones del campo electromagnético a través de un efecto combinado de fotónica y respuesta plasmónica. Nanoparticulas de Ag (NPs) fueron introducidas dentro de un cristal fotónico mesoporoso (CFM), compuesto por multicapas de una unidad básica TiO2 – SiO2. Este nanosistema fue sintetizado mediante la combinación de técnicas sol-gel para la síntesis de películas delgadas y reducción suave para la producción de NPs dentro de las capas de TiO2. El diseño de la arquitectura del CFM fue ajustado de forma tal que el borde del band gap de cada banda coincida con el pico de absorción de las NPs de Ag, de modo de confinar la amplificación plasmónica debido a la propia estructura multilaminar. A lo largo de este trabajo hemos encontrado que el CFM contribuye al aumento de la señal por Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) de las moléculas atrapadas dentro del mesoporoso. Este efecto remarca la importancia de la interfase de la unidad básica para la amplificación de campo y abre las puertas para estudiar la detección via SERS asistida por plasmones. Los materiales estudiados se proyectan como una plataforma promisoria para la estudio interactivo entre sistemas fotónicos y plasmónicos. Estas nanoarquitecturas sintonizables son extremadamente robustas, reproducibles y pueden conducir a aplicaciones en plataformas de sensores como en optoelectrónica, fotocatálisis o fotosíntesis artificial.
Experimental
Los CFM fueron preparados sobre sustratos de silicio, depositando alternada y secuencialmente capas de SiO2 y TiO2 mediante la técnica de dip-coating. Se utilizó como agente moldeante Pluronic F127 para el TiO2 y CTAB para el SiO2, de forma de obtener distintos tamaños de poros, aproximadamente de r=4nm para el primero y r=1,2nm para el segundo. Las NPs de Ag fueron infiltradas dentro de la estructura porosa de TiO2 utilizando formaldehído como agente reductor suave para AgNO3. Las muestras fueron calcinadas a 350ºC para eliminar el surfactante, luego de este proceso adquirieron un color café oscuro. En concordancia con trabajos previos, las NPs solo se sintetizaron dentro de los poros de TiO2 ya que para reducir el ion Ag+ dentro de la sílice requiere mucho mas tiempo, del orden de horas.
Resultados
Previamente a realizar la caracterización de las propiedades ópticas, (es decir, la respuesta espectral que se muestra en la figura 4) se debe caracterizar el material. Para ellos se verificaron las propiedades estructurales de las películas mesoporosas en forma independiente
Objetivo
Sintetizar un mesoporoso multilaminar de TiO2SiO2 con nanoparticulas de Ag embebidas. Analizar y caracterizar el material resultante así como estudiar su respuesta espectral y su capacidad para la amplificar vía SERS de la respuesta de las NPs metálicas.
Figura 1: Elipsoporosimetría ambiental, distribución de poros y cuellos y microscopía de trasmisión de una monocapa delgada de óxido de silicio mesoporoso etructurado con CTAB.
para la silice y la titania. Accesibilidad, índice de refracción, tamaño y distribución tanto de poro como de cuellos fueron algunas de ellas (figuras 1 y 2). Se utilizaron herramientas espectroscopicas, como microscopias SEM, TEM (figuras 1a y 2b), STEM y FIB (figura 3) . Luego se ajustó la cantidad y espesor de cada una de las capa, la concentración de NPs, de forma de concentrar e intensificar determinadas lon-gitudes de onda coincidiendo con la resonancia del plasmón de las NPs de Ag.
Figura 2: Elipsoporosimetría ambiental, distribución de poros y cuellos y microscopía de trasmisión de una monocapa delgada de óxido de titanio mesoporoso estructurado con Pluronic F127
Figura 4 :Espectro de reflexión de CFM con diferentes cargas de NPs de Ag, variando el tiempo del proceso de infiltración. a) MCF estructurado para el borde superior del band gap y b) MCF estructurado para borde inferior del band gap.
Figura 3: Imágenes STEM de un CFM de seis capas. a) CFM antes de la infiltración., b) el mismo CFM luego de 45 minutos de infiltración de AgNO3 seguido de 20 minutos de reducción con COH2. y c) muestras obtenidas luego de 3 hroas de infiltración de AgNO3 seguida de 1.5 hora de reducción con COH2 . En los ecuadros de a) y b) se ve el patrón obtenido por 2D-SAXS obtenido con una incidencia de 90º y 3º.
Conclusiones
Se presentó, en este trabajo, un método robusto para diseñar y sintetizar un nanocompuesto complejo, combinando cristales fotónicos basado en películas mesoporosas mixtas de SiO2 y TiO2 y síntesis de nanoparticulas. Se ajustaron los índices de refracción de la estructura multilaminar para obtener una respuesta óptica sintonizable, de forma de coincidir con el plasmón de las NPs metálicas. Con una reducción suave se logró sintetizar las NPs de Ag únicamente dentro de los poros de la capa de óxido de titanio. En resumen, la combinación de un síntesis robusta
y reproducible, con experimentos bien planificados son la base para el diseño de plataformas racionales de nuevas nanoestructuras que lideren el desarrollo de nuevos dispositivos fotónicos-plasmónicos para diversas aplicaciones en sensores, optoelectrónica o colectores de energía.
Bibliografía
Gazoni Martíınez, R., Bellino M. G., Fuertes M. C., Giménez G., Soler-Illia Galo J. A. A. G. y Martíınez Ricci, M. L. Designed nanoparticle–mesoporous multilayer nanocomposites as tunable plasmonic–photonic architectures for electromagnetic field enhancement. J. Mater. Chem. C (2017). doi:10.1039/C6TC05195B
Ver+/-
